第9章 模拟量与数字量的转换.ppt

第9章模拟量与数字量的转换 9 1数 模转换器 9 2模 数转换器 9 1数 模转换器 1 D A功能 将数字量成正比地转换成模拟量 9 1 1D A转换器原理 2 T型电阻网络DAC 分析输入数字量和输出模拟电压Uo之间的关系 T型网络开路时的输出电压UA即是反相比例运算电路的输入电压 反相比例运算电路 T型电阻网络 用戴维宁定理和叠加定理计算UA 最低位 LSB 最高位 MSB 1000 对应二进制数为0001 对应二进制数为0001时 等效电路 对应二进制数为0001时 等效电路如下 同理 对应二进制数为0010时 有 同理 对应二进制数为1000时 有 同理 对应二进制数为0100时 有 T型网络开路时的输出电压UA 即等效电源电压UE 等效电阻为R 等效电路如右图 若输入的是n位二进制数 则 若取RF 3R 则 若输入的是n位二进制数 则 倒T型电阻网络DAC uo UC UR 2 UB UR 4 UA UR 8 由于解码网络的电路结构和参数匹配 则图中各点 D C B A 电位逐位减半 因此 每个2R支路中的电流也逐位减半 即 9 1 2D A转换器的主要技术指标 指最小输出电压和最大输出电压之比 1 分辨率 2 线性度 通常用非线性误差的大小表示D A转换器的线性度 把偏离理想的输入 输出特性的偏差与满刻度输出之比的百分数定义为非线性误差 3 输出电压 电流 的建立时间 例 十位D A转换器的分辨率为 从输入数字信号起 到输出电压或电流到达稳定值所需时间 有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率 通常D A转换器的建立时间不大于1 S DAC0832是八位的D A转换器 即在对其输入八位数字量后 通过外接的运算放大器 可以获得相应的模拟电压值 9 1 3D A转换芯片 DAC0832 0832外引脚排列图 片选信号 低电平有效 写入控制 低电平有效 模拟地端 D0 D7数字量输入 参考电压输入端 0832外引脚排列图 数字地端 0832外引脚排列图 输入锁存允许信号 高电平有效 芯片工作电压输入端 电流输出端单极性输出时 Iout2接模拟地 内部简化电路框图 DAC0832简化电路框图 八位 寄存器 输入 八位 寄存器 DAC 八位 转换器 UREF RF Iout1 Iout2 AGND UCC DGND ILE CS WR1 WR2 XFER D A 1 1 DAC0832功能表 脉冲控制 9 2模 数转换器 A D转换器要将时间上连续 幅值也连续的模拟量转换为时间上离散 幅值也离散的数字信号 它一般要包括取样 保持 量化及编码4个过程 9 2 1ADC概述 2 A D转换器分类 并联比较型特点 转换速度快 转换时间10ns 1 s 但电路复杂 逐次逼近型特点 转换速度适中 转换时间为几 s 100 s 转换精度高 在转换速度和硬件复杂度之间达到一个很好的平衡 双积分型特点 转换速度慢 转换时间几百 s 几ms 但抗干扰能力最强 9 2 1ADC概述 9 2 2ADC工作过程 1 取样与保持 采样是将随时间连续变化的模拟量转换为在时间离散的模拟量 采样信号S t 的频率愈高 所采得信号经低通滤波器后愈能真实地复现输入信号 合理的采样频率由采样定理确定 采样定理 设采样信号S t 的频率为fs 输入模拟信号 I t 的最高频率分量的频率为fimax 则fs 2fimax 9 2 1 要将取样电路每次采得模拟信号转换为数字信号都需要一定时间 为了给后续的量化编码过程提供一个稳定的值 在取样电路后要保加持电路 将所采样的模拟信号保持一段时间 取样与保持过程往往是通过采样与保持电路同时完成的 电路要求 AV1 AV2 1 A1的Ri高 A2的Ri高 A2的Ro低 采样 不能放电 保持 1 取样与保持 9 2 2ADC工作过程 1 电路及工作原理 2 量化与编码 为将模拟信号转换为数字量 在A D转换过程中 必须将采样 保持电路的输出电量 按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上 这一转化过程我们称为数值量化 简称量化 任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍 量化后的数值最后还需通过编码过程用一个代码表示出来 经编码后得到的代码就是A D转换器输出的数字量 9 2 2ADC工作过程 量化 编码 量化误差 量化过程中所取最小数量单位称为量化单位用 表示 它是数字信号最低位为1时所对应的模拟量 即1LSB 任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍 在量化过程中由于采样电压不一定能被 整除 所以量化前后不可避免地存在误差 此误差我们称之为量化误差 用 表示 量化误差属原理误差 它是无法消除的 A D转换器的位数越多 各离散电平之间的差值越小 量化误差越小 两种近似量化方式 只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式 9 2 2ADC工作过程 9 2 3逐次逼近型ADC 1 工作原理 可用天平秤重过程作比喻来说明 2 8g 4g 3 8g 4g 2g 4 8g 4g 1g 1 8g 8g 13g 12g 13g 14g 13g 13g 13g 8g 12g 12g 13g 保留 保留 撤去 保留 若有四个砝码共重15克 每个重量分别为8 4 2 1克 设待秤重量Wx 13克 可以用下表步骤来秤量 2 四位逐次逼近型ADC原理电路 放哪一个砝码 砝码是否保存 2 3 4 1 1000 UA UI 6V UA UI 5 5V 留 去 留 留 4V UA UI 5V UA UI 1100 1010 1011 例 UR 8V UI 5 52V D A转换器输出UA为正值 转换数字量10114 1 0 5 5 5V转换误差为 0 02V 例 UR 8V UI 5 52V 若输出为8位数字量 转换数字量101100014 1 0 5 0 03125 5 53125V转换误差为 0 01125V位数越多误差越小 逐次逼近转换过程示意图 UA UI UA UI 转换误差 0 02V 9 2 4双积分型ADC 对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分 将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔 然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔 进而得到相应的数字量输出 该A D转换器也称为电压 时间 数字式积分器 1 指导思想 1 0 0 0 双积分型ADC框图 0 1 准备阶段 2 工作原理 CR信号将计数器清零 开关S2闭合 待积分电容放电完毕后 断开S2 2 第一次积分 1 t t0时 开关S1与A端接通 正的被测电压 I加到积分器的输入端 积分器开始对 I积分 此阶段称为采样阶段 2 工作原理 0 3 第二次积分 1 1 VREF加到积分器的输入端 积分器开始向相反方向进行第二次积分 当t t2时 积分器输出电压 O 0 比较器输出 C 0 时钟脉冲控制门G被关闭 计数停止 2 工作原理 0 T1 2nTC T2 Tc T2 t1 t2 在计数器中所计的数 Qn 1 Q1Q0 就是A D转换器得到的结果 1 转换精度 9 2 4ADC主要技术指标 单片集成A D转换器的转换精度是用分辨率和转换误差来描述的 分辨率 说明A D转换器对输入信号的分辨能力 通常以输出二进制 或十进制 数的位数表示 转换误差 表示A D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别 通常以输出误差的最大值形式给出 常用最低有效位的倍数表示 9 2 4A D转换器的主要技术指标 2 转换时间 指A D转换器从转换控制信号到来开始 到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间 A D转换器的转换时间与转换电路的类型有关 并行比较A D转换器的转换速度最高 逐次比较型A D转换器次之 间接A D转换器 如双积分A D 的速度最慢 例某信号采集系统要求用一片A D转换集成芯片在1秒钟内对16个热电偶的输出电压分时进行A D转换 已知热电偶输出电压范围为0 0 025V 对应于0 450 温度范围 需要分辨的温度为0 1 试问应选择多少位的A D转换器 其转换时间为多少 解 由题意可知分辨率为 12位A D转换器的分辨率为 故必须选用13位的A D转换器 系统的采样速率为每秒16次 采样时间为62 5ms 对于这样慢速的采样任何一个A D转换器都可达到 9 2 5A D转换芯片 ADC0804 1 ADC0804引脚及使用说明 ADC0804是用CMOS集成工艺制成的逐次比较型模数转换芯片 分辨率8位 转换时间100 s 输入电压范围为0 5V 增加某些外部电路后 输入模拟电压可为 5V 该芯片内有输出数据锁存器 当与计算机连接时 转换电路的输出可以直接连接在CPU数据总线上 无需附加逻辑接口电路 ADC0804引脚功能说明 VIN VIN ADC0804的两模拟信号输入端 用以接收单极性 双极性和差动输入信号 D7 D0 A D转换器数据输出端 该输出端具有三态特性 能与微机总线相接 AGND 模拟信号地 DGND 数字信号地 CLKIN 外电路提供时钟脉冲输入端 CLKR 内部时钟发生器外接电阻端与CLKIN端配合可由芯片自身产生时钟脉冲 其频率为1 1 1RC CS 片选信号输入端 低电平有效 一旦有效表明A D转换器被选中可启动工作 WR 写信号输入 接受微机系统或其它数字系统控制芯片的启动输入端 低电平有效 当CS WR同时为低电平时 启动转换 RD 读信号输入 低电平有效 当 同时为低电平时 可读取转换输出数据 INTR 转换结束输出信号 低电平有效 输出低电平表示本次转换已完成 该信号常作为向微机系统发出的中断请求信号 ADC0804引脚功能说明 2 使用ADC时应注意的问题 1 转换时序 当CS与WR同为低电平时 A D转换被启动且在上升沿后100 s模数完成转换 转换结果存入数据锁存器 同时INTR自动变为低电平 表示本次转换已结束 如CS RD同时来低电平 则数据锁存器三态门打开